Linux内核源代码情景分析-强制性调度

Linux内核中进程的强制性调度，也就是非自愿的、被动的、剥夺式的调度，主要是由时间引起的。前面讲过这种调度发生在中断，异常，系统调用从系统空间返回用户空间的前夕，也就是在ret_with_reschedule可以看出，此时是否真的调用schedule()，最终还要取决于当前进程task_struct结构中的need_resched是否为1(非0)，因此，问题就结为当前进程的need_resched是在什么情况下才置成1的。主要有如下几种情况：

1、在时钟中断的服务程序中，发现当前进程(连续)运行的时间过长。

2、在唤醒一个睡眠中的进程是，发现被唤醒的进程比当前进程更有资格运行。

3、一个进程通过系统调用改变调度政策或礼让。这种情况实际上应该被视为主动的、自愿的调度，因此这样的系统调用会引起立即调度。

对第一种情况，在Linux内核源代码情景分析-中断上半部一文中，do_timer中断服务程序，调用了update_process_times，代码如下：

void update_process_times(int user_tick)
{
	struct task_struct *p = current;
	int cpu = smp_processor_id(), system = user_tick ^ 1;

	update_one_process(p, user_tick, system, cpu);
	if (p->pid) {
		if (--p->counter <= 0) {
			p->counter = 0;
			p->need_resched = 1;//强制调度
		}
		if (p->nice > 0)
			kstat.per_cpu_nice[cpu] += user_tick;
		else
			kstat.per_cpu_user[cpu] += user_tick;
		kstat.per_cpu_system[cpu] += system;
	} else if (local_bh_count(cpu) || local_irq_count(cpu) > 1)
		kstat.per_cpu_system[cpu] += system;
}

如果此时在用户态发生中断，进入内核态，p->counter减为0，那么p->need_resched就置为1，中断返回时就会强制调度。

如果此时发生系统调用，进入内核态，再发生中断，p->counter减为0，那么p->need_resched就置为1，中断返回后，然后系统调用返回时就会强制调度。

如果此时在用户态发生异常，进入内核态，再发生中断，p->counter减为0，那么p->need_resched就置为1，中断返回后，然后异常返回时就会强制调度。

对第二种情况，唤醒一个进程时，代码如下：

inline void wake_up_process(struct task_struct * p)
{
	unsigned long flags;

	/*
	 * We want the common case fall through straight, thus the goto.
	 */
	spin_lock_irqsave(&runqueue_lock, flags);
	p->state = TASK_RUNNING;//进程的状态设置为TASK_RUNNING
	if (task_on_runqueue(p))
		goto out;
	add_to_runqueue(p);//将进程挂入runqueue
	reschedule_idle(p);
out:
	spin_unlock_irqrestore(&runqueue_lock, flags);
}

static void reschedule_idle(struct task_struct * p)
{
        ......
	int this_cpu = smp_processor_id();
	struct task_struct *tsk;

	tsk = cpu_curr(this_cpu);//获取当前进程的task_struct数据结构
	if (preemption_goodness(tsk, p, this_cpu) > 1)//比较当前进程和被唤醒的进程的综合权值
		tsk->need_resched = 1;//如果被唤醒的进程的综合权值比当前进程的大，那么强制调度

}

static inline int preemption_goodness(struct task_struct * prev, struct task_struct * p, int cpu)
{
	return goodness(p, cpu, prev->active_mm) - goodness(prev, cpu, prev->active_mm);
}

如果发生了系统调用，进入内核态，发生上面的过程，那么在系统调用返回时会强制调度。

如果在用户态发生了异常，进入内核态，发生上面的过程，那么在异常返回时会强制调度。

如果在用户态发生了中断，进入内核态，不能调用wake_up_process。

对于第三种情况，实际上应被视为自愿的让出。但是，从内核代码的形式上看，也是通过相同的办法，将当前进程的need_resched标志置为1，使得在进程返回用户空间前夕发生调度，所以也放在这一节。此类系统调用有两个，一个是sched_setscheduler()，另一个是sched_yield()。

系统调用sched_setscheduler()的作用是改变进程的调度政策。用户登录到系统后，第一个进程的适用调度政策为SCHED_OTHER，也就是默认为无实时要求的交互式应用。在fork()创建新进程时则将此进程适用的调度政策遗传给了子进程。但是，用户可以通过系统调用sched_setscheduler()改变其适用调度政策。

sched_setscheduler，内核态对应的代码如下：

asmlinkage long sys_sched_setscheduler(pid_t pid, int policy,
				      struct sched_param *param)
{
	return setscheduler(pid, policy, param);
}

asmlinkage long sys_sched_setparam(pid_t pid, struct sched_param *param)
{
	return setscheduler(pid, -1, param);
}

static int setscheduler(pid_t pid, int policy,
			struct sched_param *param)
{
	struct sched_param lp;
	struct task_struct *p;
	int retval;

	retval = -EINVAL;
	if (!param || pid < 0)
		goto out_nounlock;

	retval = -EFAULT;
	if (copy_from_user(&lp, param, sizeof(struct sched_param)))//从用户空间把sched_param结构拷贝到lp
		goto out_nounlock;

	/*
	 * We play safe to avoid deadlocks.
	 */
	read_lock_irq(&tasklist_lock);
	spin_lock(&runqueue_lock);

	p = find_process_by_pid(pid);//通过pid找到task_struct

	retval = -ESRCH;
	if (!p)
		goto out_unlock;

	if (policy < 0)//policy为-1
		policy = p->policy;//维持原来的政策
	else {
		retval = -EINVAL;
		if (policy != SCHED_FIFO && policy != SCHED_RR &&
				policy != SCHED_OTHER)//必须是这三种政策之一
			goto out_unlock;
	}

	/*
	 * Valid priorities for SCHED_FIFO and SCHED_RR are 1..99, valid
	 * priority for SCHED_OTHER is 0.
	 */
	retval = -EINVAL;
	if (lp.sched_priority < 0 || lp.sched_priority > 99)
		goto out_unlock;
	if ((policy == SCHED_OTHER) != (lp.sched_priority == 0))//如果政策是SCHED_OTHER，sched_priority必须是0
		goto out_unlock;

	retval = -EPERM;
	if ((policy == SCHED_FIFO || policy == SCHED_RR) &&
	    !capable(CAP_SYS_NICE))
		goto out_unlock;
	if ((current->euid != p->euid) && (current->euid != p->uid) &&
	    !capable(CAP_SYS_NICE))
		goto out_unlock;

	retval = 0;
	p->policy = policy;
	p->rt_priority = lp.sched_priority;
	if (task_on_runqueue(p))
		move_first_runqueue(p);//从可执行进程队列的当前位置移到队列的前部，使其在调度时处于较为有利的地位

	current->need_resched = 1;//强制调度

out_unlock:
	spin_unlock(&runqueue_lock);
	read_unlock_irq(&tasklist_lock);

out_nounlock:
	return retval;
}

另一个系统调用sched_yield()，使运行中的进程可以为其他进程"让路"，但并不进入睡眠。内核的实现sys_sched_yield，代码如下：

asmlinkage long sys_sched_yield(void)
{
	/*
	 * Trick. sched_yield() first counts the number of truly
	 * ‘pending‘ runnable processes, then returns if it‘s
	 * only the current processes. (This test does not have
	 * to be atomic.) In threaded applications this optimization
	 * gets triggered quite often.
	 */

	int nr_pending = nr_running;

#if CONFIG_SMP
	int i;

	// Substract non-idle processes running on other CPUs.
	for (i = 0; i < smp_num_cpus; i++)
		if (aligned_data[i].schedule_data.curr != idle_task(i))
			nr_pending--;
#else
	// on UP this process is on the runqueue as well
	nr_pending--;
#endif
	if (nr_pending) {//正在等待的运行的进程数
		/*
		 * This process can only be rescheduled by us,
		 * so this is safe without any locking.
		 */
		if (current->policy == SCHED_OTHER)
			current->policy |= SCHED_YIELD;//SCHED_YIELD标志位置1，在_schedule_tail清0
		current->need_resched = 1;//强制调度
	}
	return 0;
}

第三种情况，只有发生在，使用sched_setscheduler()或者sched_yield()系统调用时，系统调用返回时会强制调度。